白 楊 劉 穩(wěn)

（武漢大學(xué)城市設(shè)計學(xué)院，武漢 430000）

基于GIS位置分配模型的公交站點布局優(yōu)化研究
——以武漢市南湖片區(qū)為例

白 楊 劉 穩(wěn)

（武漢大學(xué)城市設(shè)計學(xué)院，武漢 430000）

公交站點是城市公共交通的重要組成，其布局合理與否直接影響城市公共交通的運行效率和吸引力。文章以武漢市南湖片區(qū)為例，應(yīng)用GIS網(wǎng)絡(luò)分析工具對研究區(qū)域公交站點的布局現(xiàn)狀進(jìn)行分析，之后針對現(xiàn)狀問題使用位置分配模型對區(qū)域公交站點布局進(jìn)行優(yōu)化研究。研究針對不同情景提供了三種優(yōu)化方案，通過對比分析，認(rèn)為第三種方案更具優(yōu)勢。本文關(guān)于站點布局的優(yōu)化過程為相關(guān)問題研究提供了技術(shù)方法，優(yōu)化結(jié)果可以作為研究區(qū)域未來站點布局的參考。

位置分配模型；公交站點布局優(yōu)化；武漢市南湖片區(qū)

引言

伴隨我國經(jīng)濟的快速發(fā)展及城市化進(jìn)程的加速推進(jìn)，城市發(fā)展速度驚人。然而在城市的快速發(fā)展過程中，隨之而來的環(huán)境問題和社會問題也不容忽視。在交通領(lǐng)域，逐年上升的人均機動車擁有量與人均道路面積比嚴(yán)重失衡，造成交通擁堵、環(huán)境污染、城市熱島效應(yīng)等一系列問題。為緩解上述矛盾，前國務(wù)院總理溫家寶在2012年10月主持召開國務(wù)院常務(wù)會議，研究部署在城市優(yōu)先發(fā)展公共交通。

城市公共交通作為現(xiàn)代交通的重要出行方式，具有運量大、污染小、效率高等優(yōu)點，是緩解城市交通問題的關(guān)鍵，應(yīng)當(dāng)作為城市交通的主要方式大力推廣。加強公共交通建設(shè)，增加公共交通的吸引力，可以緩解大量小汽車出行給城市交通帶來的壓力，是現(xiàn)今和以后我國各級城市交通發(fā)展的總趨勢。然而目前我國大多數(shù)城市公共交通出行比例偏低，城市公共交通的效用并沒有得到最好的發(fā)揮。

公共交通站點是城市公共交通的重要組成部分，站點布局合理與否直接影響到公共交通的運行效率和吸引力。本文利用GIS中的位置分配模型對武漢市南湖片區(qū)的公交站點布局進(jìn)行優(yōu)化研究，通過對比分析得出比較適宜的布局方案，為區(qū)域站點優(yōu)化提供參考。

1 武漢市南湖片區(qū)公交站點布局實證研究

1.1 研究區(qū)域概況

南湖片區(qū)是近年來武漢市房地產(chǎn)開發(fā)的熱點區(qū)域，因東臨南湖而得名。一般認(rèn)為南湖片區(qū)是指白沙洲大道以東，南湖以西，雄楚大道以南，三環(huán)線以北的區(qū)域。研究區(qū)域在南湖片區(qū)的基礎(chǔ)上有所擴大，南北分別以三環(huán)線和雄楚大道為界，東部以珞獅路為界，西部到長江東岸。

區(qū)域現(xiàn)狀路網(wǎng)比較密集，大體呈網(wǎng)格狀分布。道路走向以白沙洲大道為界，以西多為東北—西南走向和西北—東南走向；以東道路為東—西走向和南—北走向。為了便于陳述，以二維平面地圖為參考，將區(qū)域內(nèi)道路用橫向和豎向進(jìn)行表達(dá)。區(qū)域橫向主要道路有雄楚大道、江國路、江盛路、雅安街、建安街、南湖大道和三環(huán)線；縱向道路由西向東主要有武金堤路、白沙洲大道、南李路、平安路、書城路和珞獅路。這些主要道路也是區(qū)域公交站點分布較多的道路。

除公路外，區(qū)域內(nèi)還有武漢市軌道交通5號線、7號線、8號線在建?？紤]到公共交通的整體性和協(xié)調(diào)性，因此在對公交站點的布局進(jìn)行優(yōu)化時，未來軌道交通站點也將作為設(shè)施點在優(yōu)化模型中使用。

1.2 數(shù)據(jù)描述

本文關(guān)于區(qū)域站點布局優(yōu)化的研究所需數(shù)據(jù)包括人口數(shù)據(jù)、建筑數(shù)據(jù)、現(xiàn)狀路網(wǎng)數(shù)據(jù)、現(xiàn)狀步行路網(wǎng)數(shù)據(jù)、現(xiàn)狀公交站點數(shù)據(jù)和未來軌道交通站點數(shù)據(jù)。人口數(shù)據(jù)和建筑數(shù)據(jù)來自武漢市地理信息中心；路網(wǎng)數(shù)據(jù)、步行路網(wǎng)數(shù)據(jù)、公交站點數(shù)據(jù)和軌道交通站點數(shù)據(jù)是作者依據(jù)百度地圖和智能公交APP使用ArcMap制作。

1.3 區(qū)域公交站點布局現(xiàn)狀問題研究

1.3.1部分區(qū)域公交站點分布與人口分布匹配度差，站點布局不合理

將研究區(qū)域的人口數(shù)據(jù)和站點數(shù)據(jù)疊加，獲得人口分布與站點分布對比圖（圖1），字母ABC標(biāo)示之處代表站點分布與人口分布匹配度較差的典型區(qū)域。

如圖1所示，研究區(qū)域北部整體人口分布較多，相應(yīng)站點密度也較大，但是圖中A區(qū)站點分布密集而人口密度卻不高；南部整體人口密度較小，但是圖中B區(qū)、C區(qū)站點分布較少而人口密度較高。所以研究區(qū)域的公交站點布局整體上與區(qū)域人口分布大致匹配，但一些具體位置的站點分布還需要調(diào)整。

圖1 研究區(qū)域現(xiàn)狀站點分布與人口分布對比圖

1.3.2區(qū)域公交站點服務(wù)面積不足，公共交通覆蓋率有待提高

使用ArcMap中的緩沖區(qū)工具對站點做500米緩沖區(qū)，這些緩沖區(qū)可以看成是公交站點的有效服務(wù)區(qū)，通過計算可以得出區(qū)域公交站點服務(wù)面積。在得出站點服務(wù)面積的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步計算區(qū)域的公共交通覆蓋率。公共交通覆蓋率是衡量公共交通發(fā)展程度的重要指標(biāo)，反映了一個城市公共交通服務(wù)的便捷程度。公共交通覆蓋率的計算式如下：

公共交通覆蓋率=建成區(qū)內(nèi)公共交通站點服務(wù)面積/建成區(qū)面積

根據(jù)計算式計算，研究區(qū)域公共交通覆蓋率約為82.53%?！冻鞘械缆方煌ㄒ?guī)劃設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于城市公共交通覆蓋率的建議是，以300米為半徑計算公交站點服務(wù)面積，公交覆蓋率不得小于城市建成區(qū)面積的50%，以500米為半徑計算，不得小于90%[1]。研究區(qū)域的公共交通覆蓋率顯然不足。

2 武漢市南湖片區(qū)公交站點出行生成預(yù)測

2.1 預(yù)測方法

可達(dá)性模型是預(yù)測公交出行需求的方法之一，與其他預(yù)測方法相比，其優(yōu)勢在于運算更加簡便，更能反映城市交通的微觀特征?？蛇_(dá)性內(nèi)涵于1959年由Hansen提出，即在城市公交需求預(yù)測中各節(jié)點在交通網(wǎng)絡(luò)相互作用的機會大小，我們可以將可達(dá)性理解為出行者通過公共交通工具到達(dá)目的地的便利程度[2]?？蛇_(dá)性的研究圍繞關(guān)鍵的四類構(gòu)成要素進(jìn)行，即交通、用地空間布局、時間、個體[3]。這四項構(gòu)成要素同時也可以看做是可達(dá)性的影響因素。例如良好的交通設(shè)施條件、合理的用地布局、恰當(dāng)?shù)某鲂袝r間選擇、較強的個體行動能力，這樣的情況下可達(dá)性好，反之可達(dá)性差。

黃正東以距離衰減理論為基礎(chǔ)，利用GIS分析工具，提出了城市公交出行需求預(yù)測的模型方法。其預(yù)測的基本流程是采用負(fù)羅切斯特可達(dá)性模型估算站點周邊公交出行發(fā)生概率，結(jié)合人口分布模型獲得站點周邊的公交發(fā)生分布，應(yīng)用雙約束蒙特卡洛分解算法，獲得全市公交吸引分布[4]。預(yù)測方法的流程如圖2所示。

圖2 基于可達(dá)性模型計算公交站點出行需求

研究區(qū)域公交站點的部分生成值（表1）代表以站點為中心在阻抗范圍內(nèi)居民的出行量，數(shù)值越大，代表此站點周邊居民的出行需求越大。在應(yīng)用位置分配模型時，作為候選設(shè)施點的公交站點被選擇的機會是有區(qū)別的。被選擇機會的大小對應(yīng)候選設(shè)施點的權(quán)重屬性，權(quán)重值即為公交站點的生成值。

2.2 預(yù)測過程

（1）在ArcMap中加載研究區(qū)域的公交站點數(shù)據(jù)、建筑點數(shù)據(jù)和步行路網(wǎng)數(shù)據(jù)；

（2）以500米為半徑對站點建立緩沖區(qū)，篩選出緩沖區(qū)內(nèi)的建筑點數(shù)據(jù)i；

（3）以研究區(qū)域的步行道路網(wǎng)為基礎(chǔ)，計算每個建筑點i在步行路網(wǎng)中到達(dá)公交站點的距離d，距離信息保存在建筑點的屬性表中；

（4）計算建筑點i的公交出行概率,信息保存在建筑點屬性表中，計算公式為：；

（5）將緩沖區(qū)范圍內(nèi)建筑點的出行生成累計相加得出站點S的公交生成值Ps：。

表1 研究區(qū)域公交站點生成值（部分）

3 基于位置分配模型的公交站點布局優(yōu)化

在GIS 的網(wǎng)絡(luò)分析工具中，位置分配模型針對從可能的候選位置中選擇指定數(shù)量的設(shè)施點非常有效，通常用于各種設(shè)施的選址問題。在實際應(yīng)用中，選擇何種問題類型進(jìn)行求解取決于要定位的設(shè)施點種類。其中最大化覆蓋范圍問題模型以被覆蓋的請求點數(shù)量最大化為目標(biāo)，在定位設(shè)施點時會選擇較多數(shù)量以滿足優(yōu)化目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上給出更加適合的設(shè)施點布局。因此，本文使用最大化覆蓋范圍模型對研究區(qū)域的公交站點布局進(jìn)行模擬優(yōu)化。

3.1 優(yōu)化過程

站點優(yōu)化過程是模型的多次實驗過程。實驗中的自變量為 “要選擇的設(shè)施點”數(shù)量，因變量為被選擇的設(shè)施點數(shù)量。通過賦予“要選擇的設(shè)施點”不同的數(shù)值來獲得不同的優(yōu)化結(jié)果，空間上反映為公交站點的不同布局。模型優(yōu)化流程如圖3所示：

圖3 模型站點優(yōu)化流程圖

在站點優(yōu)化布局的過程中，模型對于候選設(shè)施點的處理方式有兩種：一是候選合適點位置合理，模型處理方式為選擇此設(shè)施點，表現(xiàn)為圖4中綠色方形設(shè)施點。二是候選設(shè)施點位置不合理，模型處理方式為不選擇此設(shè)施點，表現(xiàn)為圖4中紅色方形設(shè)施點。

圖4 設(shè)施點選擇示意圖

3.3 優(yōu)化方案

方案一：候選設(shè)施點為現(xiàn)狀公交站點和交叉口點數(shù)據(jù)，不設(shè)置必選設(shè)施點。需求點為建筑點數(shù)據(jù)。選擇的設(shè)施點數(shù)量為113個，即現(xiàn)狀公交站點的數(shù)量。

圖5 方案一優(yōu)化布局圖

實驗使用最大化覆蓋范圍模型進(jìn)行模擬運算，優(yōu)化布局見圖5。此時的公共交通覆蓋率約為86.10%，有47個公交站點被保留，66個公交站點被交叉口的位置取代，乘客從需求點到設(shè)施點的距離阻抗和為2043710.454959米。

方案二：候選設(shè)施點為公交站點和交叉口，必選設(shè)施點為軌道交通站點。需求點為建筑點數(shù)據(jù)。選擇的設(shè)施點數(shù)為132個，這是加入軌道交通站點后設(shè)施點的數(shù)量。

實驗使用最大化覆蓋范圍模型進(jìn)行模擬運算，優(yōu)化布局見圖6。優(yōu)化結(jié)果為62個公交站點被保留，其余51個公交站點被交叉口取代。此時覆蓋率達(dá)到88.2%，乘客從需求點到設(shè)施點的距離阻抗和為1999048.163959米。

方案三：候選設(shè)施點為公交站點和交叉口，必選設(shè)施點為軌道交通站點。需求點為建筑點數(shù)據(jù)。選擇的設(shè)施點數(shù)為n（88≤n≤244）,n的取值范圍是區(qū)域公共交通覆蓋率最大化時選擇設(shè)施點的取值范圍。

優(yōu)化過程使用最大化覆蓋范圍模型模擬設(shè)施點從88個到244個之間公交站點個數(shù)和公共交通覆蓋率的變化情況。因為設(shè)施點區(qū)間內(nèi)的數(shù)字較多，所以文章以12個公交站點為單位制作了方案三的數(shù)據(jù)表（表2）。

圖6 方案二優(yōu)化布局圖

表2 方案三優(yōu)化數(shù)據(jù)表

數(shù)據(jù)顯示，保留的公交站點數(shù)量與要選擇的設(shè)施點數(shù)量呈正相關(guān)，而距離阻抗之和則與要選擇的設(shè)施點數(shù)量呈負(fù)相關(guān)。即建立越多的公交站點，區(qū)域內(nèi)乘客從需求點到設(shè)施點的距離成本越小，但是這也意味著公交公司要付出更多的成本。乘客需求并不是建設(shè)公交站點的唯一重要因素，公交公司建設(shè)公交站的意愿同樣重要。

3.4 優(yōu)化結(jié)果評價與建議

3.4.1優(yōu)化結(jié)果評價

方案一是在區(qū)域公交站點原本數(shù)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行的模擬，在不考慮其他公共交通方式的情況下，約有58.4%的公交站點分布不合理，被候選交叉口取代。其中雄楚大道、建安街、恒安路、珞獅路以及白沙洲大道公交站點冗余情況較為突出，站點布局改動較大。此方案是在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上對公交站點的優(yōu)化方案，沒有考慮未來建成軌道交通的影響，優(yōu)化結(jié)果不具前瞻性。

方案二的優(yōu)化結(jié)果顯示，區(qū)域公共交通覆蓋率和站點保留數(shù)量有所提高，乘客從設(shè)施點到需求點的距離阻抗之和有所減少。此方案是在加入軌道交通站點后在原本公交站點數(shù)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行的模擬，這說明了軌道交通建成對區(qū)域公共交通的積極作用。同時方案也體現(xiàn)了在非單一交通方式下站點優(yōu)化的協(xié)調(diào)性，更具前瞻性和整體觀。

方案三是相對開放的優(yōu)化方案，在保證區(qū)域公共交通覆蓋率最大的情況下給出多種選擇。該方案同樣使用最大化覆蓋范圍模型，要選擇的設(shè)施點數(shù)量是一個區(qū)間，該區(qū)間是保證區(qū)域公共交通覆蓋率最大化的數(shù)值區(qū)間，理論上在區(qū)間內(nèi)以1為單位的156種結(jié)果都可以作為優(yōu)化布局的選擇方案。但是該方案需要權(quán)衡公交公司的利益和乘客利益，在數(shù)據(jù)上，分別對應(yīng)選擇的設(shè)施點數(shù)量和距離阻抗和。站點越多，乘客到達(dá)站點的機會就越大，但是公交公司則要花費更多的成本。因此在方案三的優(yōu)化選擇內(nèi)建議決策者可以在資金允許的情況下選擇盡可能多的設(shè)施點，然后按照模型優(yōu)化后的位置對站點進(jìn)行布局。

3.4.2優(yōu)化建議

（1）合理公交站點布局，盡量滿足居民出行需求。參照研究的優(yōu)化方案，對區(qū)域公交站點布局進(jìn)行調(diào)整，保留位置適當(dāng)?shù)墓徽军c并建設(shè)新的公交站點；合理布局公交站點，提高區(qū)域公共交通覆蓋率，盡量滿足居民出行需求。

（2）樹立交通結(jié)構(gòu)整體觀，注重各交通方式間的協(xié)調(diào)。在建設(shè)公交站點時，其他交通方式也是重要的參考因素。區(qū)域未來有軌道交通建成，交通方式并非單一結(jié)構(gòu)，因此在站點布局時應(yīng)當(dāng)考慮軌道交通站點的影響，注重各交通方式之間的協(xié)調(diào)。

4 結(jié)語

武漢市南湖片區(qū)的現(xiàn)狀公交站點布局，存在位置分布不合理和公共交通覆蓋率不足的問題。本文用GIS的位置分配模型對該片區(qū)公交站點布局進(jìn)行研究并提供了三種優(yōu)化方案，通過對比分析，方案三具有更好的適應(yīng)性和靈活性。本文應(yīng)用的位置分配模型是最大化覆蓋范圍模型，模型選擇針對研究區(qū)域公交站點的現(xiàn)狀問題，但最大化覆蓋范圍模型只是位置分配模型中的一種，不同種類的設(shè)施點類型可以選擇不同的問題模型，在公交站點作為設(shè)施點時，最小化阻抗模型也可以作為候選模型考慮。

研究的不足之處是在提供的方案中需要權(quán)衡公交公司和乘客的利益做出最后決策，本文沒有對此深入探討，在公交站點的實際建設(shè)時，利益的權(quán)衡是一個值得探索的問題。

[ 1 ] 國家技術(shù)監(jiān)督局,中華人民共和國建設(shè)部.城市道路交通規(guī)劃設(shè)計規(guī)范[ M] .北京:中國計劃出版社,1995 GB50220-95.

[ 2 ] HansenW.G.How Accessibility Shapes Land Use[J].Journal of American Planning, 1959, 25.

[ 3 ] Geurs K T,Ritsama van Eck J R.2001.Accessibility Measure:Review and Applications. Bilthoven, National Institute of Public Health and The Environment，The Netherlands[M]:265.

[ 4 ] 黃正東,劉學(xué)軍.大城公共交通空間網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃.[M].北京：科學(xué)出版社,2013.11:110-112.

Research on bus station layout optimization based on GIS location allocation model——A case study of Nanhu District in Wuhan

Bai Yang Liu Wen
（School of Urban Design of Wuhan University：430000）

The bus station is an important component of urban public transport and its layout directly affects the working eff i ciency and attractiveness of urban public transport. This paper takes Nanhu District in Wuhan as research area,applicating GIS network analysis tools to study the present situation of bus station layout in Nanhu District, then use location allocation model to optimize the layout of bus station. In this paper, three optimization programmes are provided for different situation.After comparison, it is concluded that the third programme have more advantages. The optimization process provides a technical method for the research of similar problems and the results can be used as reference for the bus station layout of the research area.

location allocation model; bus station layout optimization; Nanhu District of Wuhan

U492.1+1

A